航天器空運包裝箱的研制及其運輸試驗評價

肖 剛，郝文宇，張國芬，叢 飛

（1. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2. 山西航天機電設備研究所，山西 030800）

0 概述

航天器的運輸方式一般有公路運輸、鐵路運輸、空中運輸3種形式。由于受到道路橋梁的限制，公路和鐵路運輸方式難以實現大型航天器的整體運輸，運輸周期較長，環境條件較為惡劣。采用空中運輸方式不僅可以顯著縮短運輸時間和改善運輸環境，而且由于航天器的整體運輸，可以減少發射場檢查與裝調環節，有利于保持航天器的出廠狀態，可以縮短發射場操作周期。為此，需要研制空運包裝箱，在包裝箱研制過程中既要考慮運輸飛機的貨艙空間尺寸要求，又要滿足航天器的運輸環境條件。圖1是某型號航天器應用新研制的空運包裝箱。下面重點介紹空運包裝箱的研制和試驗情況。

圖1 空運包裝箱外觀圖Fig. 1 An air transport container

1 航天器運輸

1.1 航天器運輸方式

1）公路運輸

公路運輸需采用特種公路運輸車，一般由專用車頭、牽引“元寶形”后托板或平式后托板、金屬包裝容器等組成[1]。航天器在運輸過程中對包裝箱內環境的溫濕度有一定的要求，還需要往包裝箱內充放氣體。在運輸過程中還需要進行一些檢查記錄。因此，運輸車不僅要提供包裝箱的固定裝置，還應配置有電源、充放氣連接管路和記錄儀器等。

2）鐵路運輸

航天器的鐵路運輸需采用特種裝備的火車，一般由專列平板車或悶罐車廂、金屬包裝容器等組成[1]。鐵路運輸環境條件與公路運輸基本相同。

3）空中運輸

航天器運輸需采用大型運輸機，如AN-124、伊爾76等大型運輸機，包裝箱在裝機中應有導軌支架等輔助工裝[1]。飛機上應配裝專用固定裝置。為了監控箱內環境數據，需要給測試儀器設備供電。

1.2 運輸方式比較

航天器3種運輸方式的振動數據見表1。

表1 運輸過程中振動記錄數據Table 1 The vibration data during the transport

結合某型號航天器對鐵路運輸振動峰值的測量結果，其振動峰值與均方根值均大于公路、空中運輸，而且在整個鐵路運輸過程中，振動峰值一直維持在較高的水平；而空中運輸的最惡劣工況（即飛機降落過載）僅維持數min。

2 空運包裝箱的研制

包裝箱作為航天器的空中運輸容器，在運輸過程中應滿足航天器運輸環境條件要求如下[2]：

1）包裝箱內部環境要求密封；

2）包裝箱應帶有與航天器匹配的適配器環，并能提供減振、溫濕度與空氣質量控制等輔助設施；

3）能夠通過氮氣置換的手段進行空氣壓力調節（提供正壓）；

4）能夠通過對氮氣的加熱或制冷來調節容器內的理想溫度；

5）有可調整的減振墊圈。

2.1 特點

1）通用性

考慮到某型號航天器平臺構型成熟穩定，與工裝接口基本統一，空運包裝箱應具備適應工裝通用化的需要，并滿足某型號系列航天器的運輸要求。

2）可操作性

改善操作手段，提高使用性能，可采用目前較先進的零部件、機構件設計，體現工裝操作準、快、穩的特點。包裝箱箱罩、箱底的連接操作采用搭扣連接，以替代以前螺栓連接的方式，這種連接操作簡單方便，且滿足包裝箱的氣密性能要求。

3）可監控性

在借鑒以往航天器包裝箱的研制經驗基礎上，考慮完善各項環境監控指標，包括對振動、氣密、溫濕度、壓力、塵埃顆粒、漏雨等環境因素的監控。考慮到往飛機貨艙吊裝時的安全，可配置導向的監控措施。

4）兼容性

空運包裝箱的設計不僅能夠與航天器相容，還要滿足與運輸車、飛機貨艙的匹配兼容。

2.2 難點

空運包裝箱設計的難點在于箱體的結構尺寸設計，在整個設計體系中占有重要地位，是包裝設計的基礎[3]。包裝箱的內部尺寸必須要能容納航天器并保證星與箱體有安全間隙，同時還要受到運輸載體的限制，所以合理布局至關重要。

包裝箱外形一般為長方體，主要由箱罩和箱底兩部分組成，見圖2。在進行寬度及長度方向的適應性設計時，應考慮適應飛機艙門及吊點要求。

圖2 包裝箱的箱罩和箱底Fig. 2 The case and bottom of the air transport container

2.3 箱底設計

包裝箱箱底是航天器的主承力結構，主要為由支承結構、加強環、底板、法蘭等組焊而成的框架組件。支承結構一般采用剛性梁焊接而成，即由一個井字型主結構梁與許多小梁焊接而成，再在支撐結構上面覆蓋一層蒙皮以及減振板。為了滿足潔凈度要求，材料均采用防銹鋁。在箱底骨架間分別填充泡沫板，之后用玻璃鋼封閉，實現箱底的被動保溫，并為包裝箱提供一個底平面與飛機連接。

另外，箱底還應考慮設置起吊吊點。箱底板上還需設置干燥劑箱、工具箱、配件箱、軸流風機等。

2.4 箱罩設計

箱罩頂部寬度方向為了適應飛機運輸需要截角，長度方向兩端為了避開飛機起吊裝置也需要切角。

箱壁采用雙層結構，內蒙皮采用鋁板與骨架焊接構成氣密、防雨的腔體，外蒙皮采用鋁板與箱罩骨架鉚接，中間填充聚苯乙烯泡沫板，并用玻璃鋼板將外蒙皮與箱罩骨架隔開以避免傳熱。骨架4個側面和頂面均由方管組焊而成。

箱罩側面設置4個自身起吊吊點，4個角設置用于公路、飛機運輸的固定點。端面下部設有一對充、放氣口，以供充、放氣的需要。箱罩后端面安有溫濕度表和壓力表，用以實時顯示、觀察箱內溫度、濕度和壓力。箱罩前端面設有空調系統。

2.5 減振系統

減振系統的作用是避免運輸過程中對航天器造成的沖擊損傷。包裝箱采用內減振方式，增加減振系統后沒有在高度上增加箱體尺寸。

減振器選用不銹鋼絲繩減振器，根據航天器的質量、質心、固有頻率，通過計算來確定適當的減振器。減振器的頻率應避開航天器的固有頻率，以免發生共振。為了提高包裝箱減振效果和減小航天器運輸時的擺動，減振器安裝采用45°方式放置，見圖3。

為了有效地監測減振效果，采用兩種監測方式：一種是在支架和箱底板上安裝沖擊振動記錄儀，分別監測減振前和減振后的沖擊振動情況；另一種是通過包裝箱監控系統進行實時監測。

圖3 包裝箱減振系統Fig. 3 The shock absorption system of the air transport container

2.6 空調系統

空調系統的功能是對包裝箱進行溫濕度控制，保證箱內溫濕度滿足要求。

為了抗振動和沖擊，該系統選用2臺車載分體式冷暖空調，其中1臺為備份[4]。所選用的空調具有以下優點：一是具有記憶功能，即斷電后能重新啟動，并能根據溫度高低自動啟動與停止；二是具有低溫啟動的功能；三是整體抗沖擊、抗振動性能優于家用空調；四是將控制面板移至箱壁外面，面板上設置有溫度顯示、溫度調節、指示燈等按鈕，更直觀方便。

2臺空調均裝于箱體前端面。為了滿足蓄電池部位的溫控要求，將空調的送風機置于箱罩端面上部，直吹航天器溫度敏感區，見圖4。

空調產生的冷凝水通過過濾器直接排出箱外。空調開啟時，隨時觀察水位并擰動下端螺釘將水及時放掉，滿足箱內濕度要求。

圖4 包裝箱空調系統局部Fig. 4 The air-conditioning system of air transport container

2.7 監控系統

空運包裝箱的監控系統為了適應公路運輸監測和空運監測需要，采用全新監控方式，即通過筆記本在汽車駕駛艙或者飛機貨艙內某部位可以直接實現監控功能?？者\包裝箱的監控系統如圖5所示。

這種監控方式更為直觀、便捷、精確，功能也更加細化。主要特點如下：

1）可以實現溫度、濕度、壓力參數的數據記錄、數據報表、歷史曲線回放，報警提示、報警查詢，直觀地反映系統的工作狀態和參數的變化過程；

2）能夠直觀地對減振前后的振動情況進行實時曲線顯示；

3）能夠實現對車載空調的遠程參數設置和運行控制以及對風機進行單獨開關控制；

4）具備報表和曲線打印、歷史數據備份、歷史數據恢復、數據清空等數據管理功能；

5）利用組態軟件的開發平臺開發良好的人機界面，使得操作更加簡潔、明了、人性化；

6）系統采用底層分散采集、集中管理、網絡傳輸的構架；

7）采用工業自動化組態測控軟件，完成整個測控系統的各個參數的數據采集、顯示以及記錄，并根據設置的上、下限值，發出報警信號。

圖5 空運包裝箱監控系統Fig. 5 The monitor panel of the air transport container

3 包裝箱運輸試驗

為考核新研制空運包裝箱的各項指標與運載能力，進行了包裝箱的空運試驗。

3.1 試驗條件

為固化航天器出廠技術狀態，改善航天器大部件運輸環境條件，縮短運輸周期，簡化基地裝配的業務流程，某型號航天器至發射基地的運輸試驗采用“公路運輸＋飛機運輸”方式。

由于下述原因，本次試驗比后續的航天器運輸條件要求更為惡劣。

1）發射場所的公路運輸天候選為最高溫度時段，即8月初的下午14時左右；

2）由于試驗期間新建道路的部分封鎖，運輸路線選擇路況較差、里程較長的老路進行試驗；

3）試驗時航天器在飛機運輸時采用了4次起飛、4次降落：①～研制地區飛往發射地區；②～發射地區飛往研制地區；③～飛機起飛后返回原地；④～飛機飛往過渡機場加油。而正式的航天器飛機運輸只需要1次起飛、1次降落。

3.2 試驗結果

空運試驗的目的是驗證包裝箱各項指標，具體試驗測試結果如下。

3.2.1 振動沖擊

1）振動集中在10～30 Hz較窄頻段范圍內，沖擊峰值一般在 10 Hz以內，對航天器影響有限；

2）飛機運輸在起飛和降落過程不屬于隨機振動，短時間內的沖擊能量較大。降落沖擊大于起飛工況，但由于傳遞過程的能量損失，沖擊對衛星上加速度響應不大；

3）運輸過程中的測量結果與振動要求比較接近，包裝箱內實測數據與力學環境要求見表2與表3。

表2 公路運輸振動加速度要求與實測數據（適配器）Table 2 The vibration acceleration data of the road transport (adapter)

表3 空中運輸振動加速度要求與實測數據（適配器）Table 3 The vibration acceleration data of the air transport (adapter)

3.2.2 溫濕度監測

航天器在包裝箱內的溫度要求為：航天器上蓄電池處溫度低于20 ℃；箱內最高溫度低于25 ℃。濕度要求為低于60%。

包裝箱經歷2 h左右的公路運輸與3 h左右的飛機運輸，其溫濕度監測結果為：

1）在空調控溫的條件下，包裝箱內溫度及蓄電池溫度均滿足要求，見圖6(a)；

2）飛行狀態下，機內溫度環境及包裝箱控溫能力可以保證飛行期間的溫度要求（無空調工作），見圖6(b)。

圖6 溫濕度監測Fig. 6 The measurement results of the temperature and humidity

3.2.3 壓力監測

對于航天器的壓力監測：除空運外，始終維持箱內壓力高于外界。箱壁剛度還要考慮箱內能承受3 kPa的內外壓差。空運時應有迅速氣壓平衡孔，此孔有過濾功能。除有壓力控制裝置外，還應有實時壓力顯示設備。

根據試驗測試結果來看，航天器運輸至基地期間各處環境壓力變化較大，超過包裝箱設計能力3 kPa承壓的要求。在公路運輸期間進行了實時監測并充放氣；飛機運輸期間，打開氣壓平衡孔以保證箱內外的壓力平衡。整個運輸過程，壓力實時監測，且根據監測到的數據采取了相應措施，保障了航天器的運輸安全。

表4中記錄了包裝箱內氣壓值，圖7反映了空運時氣壓變化曲線。

表4 包裝箱內壓力情況Table 4 The measurement data of the air pressure in the container

圖7 飛往基地壓力變化曲線Fig. 7 The air-pressure vs time curve in the air transport to the launch base

3.3 試驗評價

本次試驗的環境條件較正式運輸條件要求更為惡劣，達到了充分考核的目的。在試驗中，空運包裝箱保障了航天器的安全，航天器運輸中所受到的振動環境、溫濕度環境與壓力環境均滿足要求。

4 結束語

空運包裝箱在結構設計上克服了尺寸設計困難。為了保障運輸過程中環境條件要求，對各種輔助功能系統進行了合理設計。從試驗測試結果來看，空運包裝箱滿足公路運輸、空中運輸的各項指標要求。可以說，在航天器運輸過程中，包裝箱的結構形式、功能特點、可靠性都起到了保障航天器的運輸安全作用。

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[1] 王利平. 大型航天器地面支持設備解決方案研究[G].中國空間技術研究院情報研究文集, 2008

[2] Steven Buckley. Modular transport container for satellite: United States, Patent US 6237795 B1[P]. 2001

[3] 趙麗娟. 包裝結構設計中尺寸設計的探討[J]. 包裝工程, 2000, 21(4): 13-14

[4] 路陽. 特種空調系統研制[J]. 制冷與空調, 2004(4): 2-25